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印度洋海嘯六大疑問 災難新聞的科學
胡永生
  2005年01月10日09:27 【字號 】【留言】【論壇】【打印】【關閉
印度洋海嘯六大疑問 災難新聞的科學
  2004年12月26日上午8時58分55.2秒,在印尼蘇門答臘西北近海(北緯3.9,東經95.9)發生8.7級地震(我國地震台網測定數據,美國台網測定為8.9級)。

  地震發生數分鐘后,地震引發的大海嘯迅速襲擊了距離震中最近的印度尼西亞蘇門答臘;兩小時以后,海嘯襲擊了斯裡蘭卡,造成慘重的人員傷亡。最新公布的統計數字表明,此次印度洋大海嘯造成的死亡人數大約有15萬人,印尼與斯裡蘭卡的死亡人數分別達到10萬與近3萬,這兩個國家的死亡人數佔總死亡人數的86%以上。

  有關印度洋地震海嘯的新聞可謂鋪天蓋地。筆者更為關心的是此次災難中的科學問題。值得一提的是,美國一些主要媒體如華爾街日報、紐約時報等都很快推出有關地震海嘯科學知識的報道;國內網絡媒體如新浪也邀請地震、海洋領域的專家通過網絡回答網民提出的問題。印度洋海嘯波及七國,造成的人員傷亡及財產損失極為慘重,引起全世界人民的關注。從防災減災的角度看,這樣的災難事件正是普及相關科學知識的好時候,有關科學知識的普及能夠對今后的防災減災發揮積極作用。筆者近日收集了國內外大量報道及資料,提出以下六個問題並展開討論。

  1.印度洋大地震如何引發海嘯?

  海嘯的發生是由海底地震、火山爆發或是外來天體撞擊引發的,這幾乎已經是常識了。海底地震可以引發海嘯,但卻不一定引發海嘯。海嘯的物理實質是大量海水在短時間內的激烈運動,如果海底地震不引發海水的大規模位移,就不會引發海嘯。

  所以,要分析此次印度洋海嘯的成因,還要從地震的成因說起。

  現代地震學的基礎理論之一就是板塊理論。按照板塊理論,地殼是由許多板塊構成的,這些板塊又可以分為大陸板塊或是大洋板塊。板塊相互之間的碰撞、擠壓、滑動以及上下錯位等運動可以產生地震,同一板塊上的不同部分的碰撞、擠壓等也可能產生地震。從地質上說,地震通常發生在斷層部位,也就是不同板塊相接之處,或是某一板塊不同部分的結合處。如果是比較完整、穩定的一塊(通常是一個大板塊的一部分),發生地震的可能就很小。我國貴州省就是一個典型,地質上被稱為西南陸台,歷史上沒有強地震記錄,今后發生強烈地震的可能也非常小。不過我國除了貴州、浙江以外,其它各省就沒有那麼好的運氣,均有6級以上強震發生,震源很淺(一般隻有10—20千米),因而構成了我國地震活動頻度高、強度大、分布廣、震源淺的特征。

  根據華爾街日報的報道,2004年12月26日印度洋大地震是在印度洋底部所謂“俯沖帶”(subductionzone)發生的。這一俯沖帶是位於印度洋海面下約10000米深處的印度板塊與緬甸板塊發生上下錯位運動構成的。印度板塊原來以每年5厘米的速度向東北方向移動,12月26日,印度板塊的大約1000千米長的一塊向緬甸板塊(另一種說法是亞洲板塊)下方“俯沖”,造成印度洋洋底局部先向下再往上的運動,結局就是災難性的大海嘯。要理解這一點並不難,如果把印度洋看做一盆水,水盆底部先下后上那麼突然一晃,水當然會潑出來。當然,這是一個極端簡化的模型。印度洋這盆水深達1萬米,就算地震產生百米高的巨浪,浪高也隻有印度洋深度的1%。印度洋底部產生縱向位移的板塊長1000千米,為了簡化計算,假設位移部分寬1000米,水深1萬米,那麼就會導致10萬億噸海水的縱向位移。具備中學物理知識的讀者可以根據重力勢能公式自行估算出海水縱向位移產生的能量,以及勢能轉化為動能后海浪的速度。

  應當解釋一點,冰凍三尺,非一日之寒。俯沖帶的形成是板塊長期運動的結果,12月26日大地震是印度洋底部俯沖帶長期積累能量的一次大爆發。   2.印度洋大地震能夠預測嗎?

  大家都知道,地震預測是一個世界難題。多少年來,世界各國的地震學家一直竭盡全力試圖為這一難題提供一個較完美的答案。

  筆者提出這一問題,是想降低這一難題的難度。如果要統計20世紀以來6級以上的地震,恐怕很困難;統計與此次印度洋大地震震級相當的大地震卻很簡單。

  據統計的9次地震雖然震級很高,但是除了最近的印度洋地震及1920年我國寧夏發生的大地震以外,其余7次地震的災難后果(包括致死人數及財產損失)卻不是20世紀以來最嚴重的。這裡很重要的原因是這9次地震中有7次沒有殃及人口稠密地區。我們面臨的嚴峻現實是:這9次大地震沒有成功預報記錄。

  歷史上有沒有大地震成功預報記錄呢?

  早在20世紀20年代,日本地震研究所所長大森房吉教授於1922年寫道:

  “現在東京近鄰地區保持地震平靜,但距東京平均60千米距離的周圍山區地震頻頻發生,雖然在城裡常常明顯感到這些地震,但因為該區不屬於嚴重破壞的地震帶,並不構成危險。然而隨著時間的流逝,目前地震活動區的地震活動將逐漸平靜下來,而作為補償,東京灣可能再度發生地震活動,並可能發生一次強震。這樣,一個震源距東京一定距離的地震將產生局部變動和部分破壞。”

  這個卓越預報的不正確之處僅在於低估了地震的強度。實際上,該強震也就是歷史上著名的7.9級關東大地震在1923年9月1日果然發生,大森房吉所提出的地區遭到破壞。死亡人數高達14萬3千余人。從地震的慘重后果看,當時大森房吉的預報並沒有引起人們的重視。

  20世紀70年代以來,我國的地震預報工作取得了一系列成果。在20世紀70年代中葉,我國曾取得以1975年遼寧海城7.3級地震為代表的若干較成功預報的經驗。90年代以來,取得了1995年雲南孟連中緬邊界7.3級地震、1997年新疆伽師強震群中4月6日6.3級、6.4級等地震的較成功預報。這些預報不僅僅是某些科學家或某種預測方法的預測成果,而是按國家有關地震預報的條例,由地震所在省地震局的分析預報部門匯總多種資料做出短臨(短期及臨震)預報綜合預測,並報省級人民政府,由政府向社會和公眾發布並取得社會防震減災效益的較成功的預報。

  盡管全球地震學家已經過上百年堅持不懈的努力,但地震預報仍是尚未突破的世界性科學難題。預測大陸地震難,預測印度洋洋底的大地震更是難上加難。在可以預見的未來,地震預測仍將是世界難題。

  3.印度洋海嘯能夠預警嗎?

  地震預報難,海嘯預警卻相對容易。為什麼?因為液體(海水)波動的傳導速度比在固體(地殼)傳導的地震波要慢很多,而且海浪越是靠近淺海,傳播速度越慢。海浪在深海的傳播速度可以達到700千米—800千米/小時,而在靠近海岸的淺海海浪傳播速度降低到40千米/小時左右。一旦地震監測台網通過地震波傳導測知海底大地震發生,並通過相關數學模型計算出發生海嘯的概率,那麼從理論上說海嘯預警是有可能的。

  就此次印度洋大海嘯而言,從海底地震發生到海嘯襲擊印度尼西亞蘇門答臘隻有幾分鐘,就是世界上最先進的海嘯預警系統恐怕都無法在如此短的時間內成功實現預警;但是地震發生到海嘯襲擊斯裡蘭卡有2個小時左右,從理論上說預警是可能的。

  現實是世界最先進的海嘯預警系統在太平洋而不是印度洋。造成這一現實狀況的原因主要有兩個:第一,從歷史看,印度洋從未發生過波及沿岸各國的大規模海嘯。美國商務部所屬太平洋海洋環境實驗室主任艾迪·伯納德(EddieBernard)告訴美國華爾街日報的記者:追溯到1509年的歷史記錄表明,印度洋中由地震引發的海嘯隻有一次襲擊了一個地方,歷史上似乎從未有過波及整個印度洋的大海嘯。而美國太平洋海嘯預警中心主任邁克·克裡利(McCreery)則指出,從歷史記錄看,印度洋俯沖帶地震引發的海嘯隻有兩次,一次發生在十九世紀,另一次是在20世紀90年代中期,這兩次海嘯只是造成局部破壞,沒有產生嚴重后果。另一方面,根據統計,世界上95%%的地震發生在太平洋區域。以這樣的歷史記錄及統計數據為依據,印度洋沿岸各國不重視海嘯預警情有可原。

  第二個原因是,建立現代海嘯預警系統代價昂貴。日本是一個歷史上有過多次遭受大海嘯襲擊記錄的國度,以致英文“海嘯”一詞tsunamis就是從日文海嘯一詞的讀音轉化來的外來語。日本的海嘯預警系統是世界最先進的,每年耗費資金約2000萬美元。美國是建立現代海嘯預警系統的另一個發達國家。在20世紀60年代前后,智利及美國阿拉斯加地區發生數次海嘯,智利海嘯的浪高達525米之巨,巨浪把船送上500多米高的山頂,成為海嘯史上一大奇觀。20世紀末美國和智利合作在太平洋部署了8個深海傳感器(美國6個,智利2個),這些傳感器放置於6000米深的大洋深處,並與浮在海面的浮標相聯,監測大洋底部與海嘯有關的各種水文信號,據說對水流速度及波峰高度的監測精確到厘米量級,以及時發現海嘯。建立這樣的海嘯預警系統當然要耗費巨資,印度洋沿岸各國都是發展中國家,又沒有大海嘯災難的歷史記錄,不建立海嘯預警系統也在情理之中。

  4.現有海嘯預警系統效率如何?

  環太平洋區域的海嘯預警系統已經有幾十年的歷史。聯合國教科文組織在1965年就建立了國際海嘯信息中心,主要為環太平洋各國提供相關信息服務。美國的海嘯研究、相關數學模型以及預警系統主要針對美國西海岸、阿拉斯加以及夏威夷地區。

  美國太平洋海嘯預警中心位於夏威夷,主任邁克·克裡利告訴華爾街日報的記者,在太平洋,海底地震監測台網已經相當完善,隻要太平洋海底發生地震,監測台網在3-15分鐘內就能接收相關信息,並在數分鐘內估算出海嘯發生的可能性。

  就是有了如此先進的海嘯預警系統,臨近海底地震中心的海濱居民獲得預警后大約隻有5分鐘的撤離時間。以夏威夷為例,海嘯從夏威夷的一側登陸並席卷全夏威夷島大約需要35-40分鐘,所以,距離海嘯登陸地點越遠的居民撤出時間就越多。

  由於海底地震並不都引發海嘯,海嘯預警系統發布預警的真假就成為突出問題。

  據華爾街日報報道,從1948年開始到1996年,美國太平洋海嘯預警中心在夏威夷一共發布20次海嘯預警,其中15次系假警報,實際沒有發生海嘯,5次是真警報。由於每次預警都導致人員大規模撤離海濱,假預警同樣帶來財產損失。據美國有關方面調查,1986年夏威夷的一次假海嘯預警導致損失達3000-4000萬美元。

  另一方面,成功的海嘯預警拯救了成百上千的生命。1964年,美國阿拉斯加地區發布海嘯預警,加州的Crescent市居民及時撤離,后來海嘯果然襲擊該市,數百人因提前撤出而成功避禍。

  20世紀90年代中期,美國國會著手調查假海嘯預警情況並要求改進海嘯預警系統,加強相關研究。此次調查的結果之一就是上述8個深海傳感器的部署。美國的6個深海傳感器有4個部署在阿拉斯加,2個部署在夏威夷。海嘯預警系統的改進以及相關研究水平的提高產生了良好效果,2003年,在1986年海底地震區域又發生地震,1986年的地震導致海嘯假預警,這次是真是假?深海傳感器發揮作用,科學家們通過實時數據分析得出結論:不會有海嘯發生。結果表明這一分析是正確的。

  日本的海嘯預警系統是另一個案例。日本已經建立了完善的海底地震監測台網,一旦有海底大地震發生,日本的監測系統在3分鐘內就能發出相關海嘯預警。不過這一體系同美國的預警體系一樣也是逐步完善的。1983年,日本台網監測到日本中部海底發生地震,信息通過電報傳到東京,專家們根據地震數據分析確定會有海嘯發生,可惜的是計算耗費了約20分鐘,海嘯先於預警到達目標,導致約100人死亡。

  有鑒於此,日本有關方面改進了地震監測系統及相關數學模型,地震數據可以自動發布,相關數學模型的計算也縮短到10分鐘以內。這樣的改進仍然無法避免1993年北海道的災難。歷史上北海道從未發生過海嘯,1993年北海道發生7.8級地震,北海道一個名叫Okushiri的小鎮居民對即將到來的海嘯一無所知,結果地震發生后3分鐘海嘯襲擊該鎮,190人因此死亡。在海嘯到達以后7分鐘,撤出預警姍姍來遲。

  現在日本的海嘯預警系統已經達到世界先進水平。180個地震監測裝置把地震數據傳到6個計算中心,與一個龐大的地震海嘯數據庫進行模擬對照,如果計算得出海嘯預警則立即自動通過全國電視網發布。不過日本的海嘯預警系統隻為日本本土服務。12月26日印度洋大地震發生以后,日本監測系統迅速得出結論:海嘯不會影響日本。

  5.在沒有海嘯預警的情況下,如何發現海嘯征兆?

  這一問題是針對此次印度洋大地震的情況提出的。有人稱:如果這次海嘯發生在夏威夷,就是沒有海嘯預警,死亡人數也會比環印度洋國家的少。因為在夏威夷,有關海嘯的科學知識在當地居民中的普及程度很高。

  此次印度洋地震引發波及整個印度洋的大海嘯在到達目的地之前還是有征兆的。海嘯到達海岸之前,首先是海水后撤,有點類似退潮,不過海水退得更遠,甚至會在岸邊留下一片死魚。夏威夷的居民都懂得,看到這種現象千萬不能下海撿魚,正確的做法是立即向高處撤離,越快越好﹔其次,海嘯的排浪與通常的漲潮不同,海嘯的排浪非常整齊,浪頭很高,像一堵牆一樣,看到這樣的排浪必須立即設法逃生。海嘯的浪牆是一組,第一個浪牆過后,會有近10分鐘甚至幾十分鐘時間的間隙,第二堵浪牆才會到達。如果能夠在第一個浪牆到達后生存下來,那麼必須盡快抓住這寶貴的間隙時間逃生﹔第三,海嘯到達前會發出頻率很低的吼聲,與通常的波濤聲完全不同,在海邊旅游者如果聽到奇怪的低頻濤聲應當盡快撤離。

  6.動物是如何感知海嘯的?

  印度洋大海嘯發生以后,路透社、華爾街日報等西方媒體先后報道了災難中的奇觀:大災之后,動物尸體罕見。特別是印度南部TamilNadu省的野生動物保護區及斯裡蘭卡的Yala野生動物保護區,原來棲息在海邊的野生動物在海嘯到來之前紛紛逃生,海嘯以后又重返棲息地。

  動物感知大陸地震以及海嘯的記錄早已有之。在我國,民間也流傳各種大地震前夕動物反常現象的傳說,但是由於觀察數據的不確定性,這些傳說難以獲得學術界的一致認可。

  就是在此次印度洋大海嘯中,有人報告狗成功逃生,也有人報告狗在海嘯中死亡。不確定性仍然存在。

  如果我們假設動物能夠感知海嘯,那麼動物到底是感知地震波還是感知海嘯巨浪發出的低頻次聲信號?

  這裡先介紹路透社的一則報道:在泰國,大象不同凡響的吼聲拯救了數十位國外旅游者的生命。泰國馴象人Dang及他的妻子Kulada向路透社的記者介紹說,在印度洋大地震發生的同時,他們馴養的大象突然吼叫,非常反常,因為這些大象平時是不叫的。隨后大象安靜下來,大約1小時以后又開始吼叫,此時馴象人的安撫不起作用,大象載著外國游客自行其是地往山上走,隨后人們發現海嘯巨浪正在向海邊的旅游勝地襲來。游客們因為大象的先知先覺而獲救。

  其實,大象的特殊吼聲及聽覺早已進入科學家的視野。美國斯坦福大學的學者CaitlinO'Connell-Rodwell,RolandG?nther及SimonKlemperer的研究表明,大象能夠發出一種頻率在30赫茲以下的低頻波,這種低頻波能夠通過地面傳播2千米之遠,這種低頻波成為象群在茂密叢林中進行信息溝通的一種主要手段,因為聲波在叢林中的傳播距離很有限。專家們認為,大象的這種低頻波通信實際上就是一種地震波通信。這種低頻波也是一種次聲。大象既然能夠發射並接收地震波,那麼對地震波敏感也就不足為奇。

  斯坦福大學學者的研究是否能得到學術界的一致認可?筆者目前不能妄作結論。

  地震波分為體波及面波,體波有P波,S波,面波有Love波及Rayleigh波。那麼大象用以通信的地震波是哪一種呢?有興趣的讀者可以到physicsweb網站瀏覽有關報道。

  

來源:科技日報 (責任編輯:許秀華)
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